温度计

背景

温度计是一种用来测量温度的装置。由伽利略于 1592 年左右开发的温度计是第一种用于定性测量温度的仪器。直到 1611 年，伽利略的同事 Sanctorius Sanctorius 设计并在温度计上增加了一个刻度，从而促进了温度变化的定量测量。这个时候仪器被称为温度计，来自希腊词 therme ("heat") 和 节拍器 （“措施”）。然而，大约在 1644 年，很明显，这件乐器包括一个带有长开口的大灯泡烧瓶，使用 酒 指示读数——对气压极为敏感。为了缓解这个问题，托斯卡纳大公斐迪南二世开发了一种密封温度计的工艺，从而消除了外部气压影响。从那以后，基本形式几乎没有变化。

现在使用的温度计有很多种：记录式温度计是用笔在转鼓上连续记录温度读数；数字读数温度计通常与其他天气测量设备结合使用；典型的家庭类型挂在墙上、柱子上或用于医疗目的的那些。

使用温度计，可以使用以下三种主要单位中的任何一种来测量温度：华氏度、摄氏度或开尔文。在 18 世纪的某一时刻，已经开发并使用了近 35 种测量尺度。

1714年，以精湛工艺着称的荷兰仪器制造商加布里埃尔·丹尼尔·法伦海特（Gabriel Daniel Fahrenheit）开发了一种以32（冰的熔点）和96（人体的标准温度）为定点的温度计。此后已确定 32 和 212（水的沸点）是刻度的固定点，其中 98.6 被认为是健康的正常体温。

瑞典科学家安德斯·摄氏于 1742 年将 0 度指定为水沸腾的点，将 100 度指定为冰融化的点。这两个数字最终互换了——创造了我们今天所知的尺度——0度是水的冰点，100度是沸点。这种刻度的使用迅速传播到瑞典和法国，两个世纪以来，它被称为摄氏刻度。 1948 年，为了纪念其发明者，该名称更名为摄氏度。

1848 年，另一位科学家开尔文勋爵 (William Thomson) 基于与摄氏温度计相同的原理提出了另一种标度，将绝对零定点设置为相当于 -273.15 摄氏度（该标度上使用的单位称为开尔文 [K])。水的冰点和沸点分别记录为 273 K 和 373 K。开尔文量表最常用于科学研究。

设计

温度计的工作原理非常简单。一种已知量的液体（水银、酒精或烃基流体）被真空密封在玻璃管中。当空气被加热或冷却时，液体会膨胀或收缩。随着液位的变化，可以读取相应的温标以指示当前温度。

温度计制造商从中间有孔的玻璃坯开始；这些通常是从玻璃制造商那里收到的。灯泡储存器是通过加热玻璃管的一端并将其捏紧而形成的。灯泡底部密封，顶部留有开口管。
接下来，将开口端在真空室中，从玻璃管中抽空空气，然后将碳氢化合物流体引入真空，直到它穿透玻璃管约 1 英寸。由于环境问题，现代温度计制造中较少使用水银，而更多地使用充满酒精的碳氢液体。

温度计是根据美国国家标准与技术研究院（NIST，前身为国家标准局）确定的预定义标准和标准制造实践设计的。在监管指南中，有关于温度计的定制制造的规定。定制温度计可以像使用它们的人一样多种多样。所用玻璃的数量、重量和长度、填充到玻璃中的液体类型、放置在玻璃管或外壳上的渐变频率，甚至渐变刻度标记的颜色都存在不同的尺寸。

设计工程师将查看温度计中使用的液体的行程限制。一旦确定了精确的限制，就可以确定玻璃管的尺寸和玻璃灯泡的尺寸。

电子元件在温度计中的使用已经增加。当今许多广泛使用的温度计都包含数字读数和采样程序循环，以将当前温度反馈给 发光二极管 (LED) 或 液晶显示器 (LCD) 控制板。对于所有可用的电子魔法，温度计仍必须包含冷热敏化元件以响应环境变化。

原材料

温度计由三个基本元素组成： 充满酒精的液体，对冷热变化做出反应；装有温度测量液体的玻璃管；和黑色墨水在刻有清晰数字的刻度标记上着色。此外，制造温度计还需要其他元素，包括用于在玻璃管上雕刻刻度线的蜡溶液；一个雕刻引擎，在玻璃管上形成永久的渐变；和氢氟酸溶液，玻璃管浸入其中以密封雕刻标记。

形成温度计主体的玻璃材料通常来自外部制造商。一些温度计产品带有外壳，外壳可以由塑料或复合材料制成，并且可能包含刻度等级，而不是在玻璃管本身上有这些等级。外壳还用于保护温度计并将其安装在墙壁、柱子或防风雨箱中。

制造
过程

尽管有多种类型的温度计，但其中最常见的经典家用品种的生产过程如下所述。

玻璃灯泡

• 1 首先，玻璃原材料是从外部制造商处接收的。管子在整个长度上都有一个细小的通道或孔。检查钻孔管的质量；任何被拒绝的部件将被送回制造商更换。
• 2 灯泡蓄水池是通过加热玻璃管的一端，将其捏紧，然后使用玻璃吹制和使用气动火炬来完成的。或者，可以通过吹制一块单独的实验室材料来制造灯泡，然后将其与玻璃管的一端连接起来。灯泡底部密封，顶部留有开口管。

添加流体

• 3 在真空室中，开口端朝下，然后从玻璃管中排出空气，并将碳氢化合物流体引入真空，直到它渗透管约 1 英寸（2.54 厘米）。由于环境问题，现代温度计制造中较少使用水银，而更多地使用充满酒精的碳氢液体。这种做法是由环境保护署 (EPA) 授权的（允许有限使用汞）。

  然后真空逐渐降低，迫使流体向下靠近管的顶部。使用汞时的过程是相同的，除了在真空室中加热。

• 4 装满后，将管子放在灯泡末端。然后通过将温度计放入温水浴中并将温度升高到 400 华氏度（204 摄氏度）来进行加热过程。接下来，将温度降至室温，使残留液体恢复到已知水平。然后将温度计的开口端放在火焰上密封。

应用比例

• 5 管子密封后，根据流体插入 212 华氏度（100 摄氏度）和 32 华氏度（0 摄氏度）水浴时的液位来应用刻度。在进行雕刻或丝网印刷以填充渐变之前，所需刻度的这些参考点已标记在玻璃管上。
• 6 范围长度因所使用的设计而异。选择与参考点之间的偶数标记最佳对应的比例。为了准确起见，雕刻是首选的标记方法。将温度计放入蜡中后，由雕刻机制作标记。数字被划在玻璃上，一旦完成，温度计就会浸入氢氟酸中以密封雕刻的标记。然后将墨水擦入标记以突出显示比例值。在秤上使用外壳时，会使用丝网印刷工艺来施加标记。
• 7 最后，温度计被相应地包装并运送给客户。

质量控制

制造过程受广泛采用的行业标准和特定的内部措施控制。制造设计考虑因素包括整个生产过程中的质量控制检查。用于执行制造任务的设备也必须小心维护，尤其是更新设计协议。

制造过程中产生的废料根据环境监管标准进行处理。在制造周期中，必须定期检查和校准用于加热、抽真空和雕刻温度计的设备。还使用已知标准进行容差测试，以确定温度读数的准确性。所有温度计都有准确度的容差。对于普通家庭来说，这个容差通常为正负 2 华氏度（16 摄氏度）。对于实验室工作，正负 1 度通常是可以接受的。

未来

虽然长期以来的简单玻璃温度计不太可能改变，但其他温度计 灯泡容器形成并插入液体后，对单元进行加热和密封。接下来，添加刻度标记。这是使用雕刻完成的，其中将灯泡浸入蜡中，雕刻标记，然后将灯泡浸入氢氟酸中以密封玻璃上的标记。形式不断发展。随着技术的进步和更轻、更坚固的材料的更广泛使用，电子集成温度仪器的制造商可以以最小的设备体积和可承受的价格提供更准确的温度测量。例如，模拟箱式温度计曾经与长电线和探针一起用于地下温度测量等用途。今天，探头尖端由较轻的材料制成，装有数字电子设备的盒子不再那么笨重和方形。展望未来，微芯片的进一步工作可能会推动温度测量过程的完全数字化。此外，最终有可能将红外光束射入土壤并从目标深度提取温度读数，甚至无需接触土壤。